嵌入式智能家居网关的研究与设计
薛帅，孙岩*
作者简介：薛帅，（1987-），男，研究生，无线多媒体传感器网络. E-mail: xsbupt@gmail.com
通信联系人：孙岩，（1975-），女，副教授，嵌入式通信系统、传感器网络和移动通信网络。
E-mail:sunyan@bupt.edu.cn
（北京邮电大学计算机学院，北京 100876）
5 摘要：随着嵌入式技术的兴起和物联网时代的来临，智能家居的发展迎来了全新的机遇，本
文提出了一种基于ARM9 的嵌入式智能家居网关的解决方案，以满足智能家居系统的个性化
需求，解决了家居空间与数字互联网世界的信息融合问题，具有一定的实践指导意义和广泛
的应用前景。
关键词：计算机工程；智能家居网关；ARM9；ZigBee；WEB 服务器
 0 引言
25 智能家居的开发与建设是物联网产业的一个重要组成部分，是为适应现代化家庭生活而
形成的一个形式多样化的网络系统。智能家居网络通常包括数据采集模块、网关模块、控制
模块以及外部接口模块，其中核心设备是智能家居网关，通过它可实现智能家居系统的信息
采集、数据分析、集中控制、联动控制等功能[1]。此外，智能家居网关还可接入外部网络，
使用户能够实时控制管理家庭内部网络。
30 家庭内部网络主要包括数据采集系统、安防系统、娱乐影音系统和资源分析等功能子系
统。内部网的架构主要采用具有低功耗、低成本、高适应性的ZigBee 技术。ZigBee 技术是
一种近距离，低功耗，低速率，低成本的双向无线通信技术，ZigBee 具有自动组网能力，
当节发生故障时，能动态的调整网络拓扑结构以适应网络情况变化[2]。本文采用的是CC2430
芯片作为家庭内部网的通信方案。ZigBee 网络的节点既包括温度、湿度和光照等采集节点，
35 同时也包括自动控制节点，照明以及门禁等受控设备。
网关模块是整个智能家居网络的核心模块，它不仅具有数据信息汇总功能，同时又具有
数据分析处理的能力，通过对采集到的数据进行集中式分析实现对家庭智能化设备的统一管
理。网关不仅是数据汇总的模块，同时也是家庭内部网和外部网络，如Internet，GRPS，手
机等外部网络进行数据交互的桥梁[3]。智能家居网关为家庭内部不同类型、不同结构的子网
40 提供数据融合能力；在家居外部，实现多种途径的接入访问，同时提供了防火墙的功能，阻
止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。
 对于外部远程接入网络，智能家居网关提供了移动互联网、以太网等多种接入方式，用
户可通过手机，网页，桌面应用程序等多种控制方式驱动相应的智能家居设备，实现对智能
家居系统的远程访问和控制，布置灵活、操作方便、成本低廉，便于智能家居系统的推广。
45 1 智能家居的网关硬件设计
智能家居网关是智能家居系统的核心部分，是整个系统的枢纽，需要具有很强的鲁棒性
和稳定性[4]。本次网关设计的硬件层主要采用嵌入式的ARM9 开发平台。嵌入式ARM 处理
器具有体积小，功耗低，成本低，性能高等特点，是十分优秀的RISC 处理器。其中三星公
司的S3C2440 是一款优秀的ARM9 核心处理器，具有400MHz 主频，内部集成多个功能模
50 块，支持NAND-flash 启动等特点，是目前市场上最常见的嵌入式处理器芯片。因此，本系
统拟采用S3C2440 处理器作为核心处理器。系统硬件原理框图如图1 所示。
此外，它有足够的外围扩展接口，如主/从USB 接口，100M 以太网接口，RS232 串口
接口，电源/复位模块，基于SIM300 芯片的GPRS 模块，基于CC2430 芯片的ZigBee 模块，
GPI0 扩展接口。
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图1 智能家居网关硬件设计框图
2 智能家居网关软件设计
60 2.1 构建网关嵌入式Linux 操作系统
网关系统硬件平台与功能应用之间，需要专门的负责管理存储器分配，中断处理以及任
务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用
的系的软件，包括硬件相关的底层驱动，系统内核，通信协议，图形用户界面等。
本文的网关系统是面向WSN、Internet 和蓝牙的通信应用，主要完成异构网络之间的通
65 信和控制，因此需要选择实时的操作系统，在众多的嵌入式实时操作系统中，从开发成本，
软件支持和代码开发的角度考虑，本文将采用Linux 操作系统作为网关系统的操作系统。
2.2 网关服务器应用软件
Web 服务器的应用软件结构如图2 所示。其主要由web 服务器、CGI 程序等组成。
 Web 服务器通过HTTP 协议与监控端浏览器软件进行信息交互，提供其他应用程序模
70 块的借口以及数据浏览界面和设备控制界面。此外，它还要对监控端的访问权限进行控制，
处理多个监控端的请求和控制的同步及优先级问题。
本系统选择适合于嵌入式系统的Boa Web 服务器。Boa 是一个单任务的HTTP 服务器，
支持能够实现动态web 技术的CGI 技术，源代码开发、性能高。同时服务器程序本身所占
用空间很小，因而十分适用于嵌入式系统。
75 本系统采用CGI(公用网关接口)来实现动态WEB 技术，CGI 规定了WEB 服务器调用其
他可执行程序的接口协议标准。WEB 服务器通过调用CGI 程序实现和浏览器的交互，也就
是CGI 程序接收浏览器发送给WEB 服务器的消息，进行处理，将响应的接口再或送给WEB
服务器及浏览器。PHP 语言编写的CGI 程序具有执行速度快、安全性高等特点，选择php
语言编写CGI 脚本程序。
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图2 嵌入式WEB 服务器的软件应用结构
2.3 桌面监控端模块设计方案
本系统在监控端使用客户端软件对监控线程进行监控，客户端运行的平台与嵌入式
85 WEB 服务器所运行的平台独立。
本客户端软件系统的开发平台是可跨平台运行的JAVA RCP 技术，结合JDBC 技术实
现与数据库的交互，数据库选用Mysql 即可。
客户端软件系统的开发分为两个方面：客户端用于操作界面(GUI)设计和软件功能实现
部分。GUI 设计通过JAVA RCP，利用Java 的强大功能很容易实现。软件功能实现部分包
90 括网络功能部分和数据存储部分。网关在启动之后会自动与监控软件建立TCP 连接，监控
软件会记录下连接IP 地址，并将网关的数据存储到数据库中。数据存储部分主要是监控程
序根据网关发送的不同应用数据，将数据进行解析，对数据分析完毕后将数据存入到数据库
当中。程序运行效果图如图3 所示。
 95 图3 桌面监控程序运行图
2.4 网关应用程序设计
本次网关系统的应用软件如图4 所示。其主要功能是依据传感器配置文件，分类解析
WSN 中的数据，为用户提供蓝牙、串口、Socket 等数据服务功能。其工作流程是：网关程
100 序启动以后，读取配置文件，创建串口处理程序模块，等待接受来自ZigBee 网络的数据，
并将下行数据请求通过串口发送到各个节点，创建TCP 处理程序模块，等待客户端的数据
请求；创建蓝牙处理程序模块，等待蓝牙连接请求，并在建立连接后向其传递数据。网关程
序启动后，在读取配置文件后，创建了三个功能模块后，三个模块的数据监听模块便不断的
监听数据请求，接受完数据后，将数据统一交由中央处理模块进行处理，处理完之后，中央
105 模块根据不同的需求将数据转由正确的发送模块发送出去。
图4 网关应用设计流程图
 3 结论
110 智能家居系统对家庭状况全天候监控，使得我们无论身在何处，都拥有一个放心的家。
移动终端通过GRPS/3G 网络实现对家庭的远程控制。当用户离开家时，网关将启动安防设
备并把其状态发送至手机等移动终端。手机实时显示监控场景、家庭的实时温湿度等信息，
并远程控制相应的执行设备，如自动窗帘、照明和门禁等。综上，本智能家居网关的设计方
案为智能家居系统的实现提供了一个可行的途径，具有很强的系统兼容性和扩展行，应用简
115 便，有着广泛的应用场景。
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